超臨界鍋爐三通管焊縫裂紋原因分析

陳　翀

（福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，福建 福州 350008）

超臨界鍋爐三通管焊縫裂紋原因分析

陳翀

（福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，福建 福州 350008）

文中應(yīng)用有限元法詳細(xì)分析了一臺(tái)超臨界鍋爐中出現(xiàn)裂紋的三通管在內(nèi)壓及彎矩作用下的強(qiáng)度狀況，分析表明在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際支承條件下，三通管不滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。管道支架的設(shè)置對(duì)管道以及管道元件的強(qiáng)度有很大的影響，在管道設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮管道支架對(duì)管道和管道元件強(qiáng)度的影響。

超臨界鍋爐；三通；裂紋；分析

發(fā)電鍋爐是熱電廠重要設(shè)備之一，在超臨界壓力下運(yùn)行可以很好地提高發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性，達(dá)到降耗減排的目的。由于工作壓力超過(guò)水的臨界值，通常采用沒(méi)有鍋筒的直流形式，整臺(tái)鍋爐實(shí)際主要由管道和管道元件構(gòu)成各種部件，并有機(jī)地組合而成。某熱力發(fā)電廠的一臺(tái)600MW超臨界發(fā)電鍋爐中一個(gè)三通管，在多次定期檢驗(yàn)中均檢出新的裂紋（見(jiàn)圖1）。為分析裂紋產(chǎn)生的原因，筆者依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)其進(jìn)行相關(guān)的力學(xué)分析，判定缺陷產(chǎn)生是否因強(qiáng)度不足而導(dǎo)致。

圖1　三通管裂紋位置及焊縫磨開(kāi)后裂紋

1　三通管應(yīng)力計(jì)算模型

文中所分析的三通管是由主管開(kāi)孔焊接分支管形成，且主、支管間焊縫采用安放式結(jié)構(gòu)形式（如圖2所示），管道材質(zhì)為SA182F1，原設(shè)計(jì)壓力P=29.92MPa，設(shè)計(jì)溫度431℃，材料許用應(yīng)力［σ］t=136.9MPa，彈性模量E=1.638×105MPa。

圖2　三通管結(jié)構(gòu)示意圖

由圖2可清楚地看出該管件屬于厚壁范疇，由于主管開(kāi)孔連接支管導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部不連續(xù)，產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力分布，在邊緣區(qū)域既存在載荷產(chǎn)生的一次應(yīng)力，又有結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)和外部約束引起的二次應(yīng)力，以及結(jié)構(gòu)不連續(xù)引起的峰值應(yīng)力，這些應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的變形和強(qiáng)度有不同的影響。為了更好地得到各種應(yīng)力的大小，對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度作出恰當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)，筆者采用有限元法，借助ANSYS軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的分析計(jì)算。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在距離三通主管兩個(gè)變徑端面對(duì)接焊縫約500mm處各有一個(gè)支承式管道支架，限制了管道Y向的位移，在構(gòu)建有限元計(jì)算模型時(shí)包含這兩段管道，并在管道末端面作Y向約束，同時(shí)為了模擬管道實(shí)際狀況，分支管也取長(zhǎng)500mm的等徑直管與三通管相連；建模時(shí)考慮內(nèi)表面材料腐蝕因素，結(jié)構(gòu)壁厚扣除腐蝕裕度1mm；假設(shè)焊縫材質(zhì)與母材相同，采用三維20節(jié)點(diǎn)六面體結(jié)構(gòu)實(shí)體元（SOLID186），并在可能出現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)進(jìn)行單元細(xì)化，沿壁厚方向設(shè)置單元8層，確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度；利用結(jié)構(gòu)對(duì)稱性的特點(diǎn)，取結(jié)構(gòu)的1/2，以便節(jié)省計(jì)算時(shí)間（圖3所示）。整個(gè)模型共形成51202個(gè)單元及233233個(gè)節(jié)點(diǎn)；在計(jì)算模型的對(duì)稱面（YOZ平面）施加對(duì)稱約束，左側(cè)主管端面施加法向（Z向）約束，結(jié)構(gòu)內(nèi)表面施加設(shè)計(jì)壓力，在支管端面和主管右側(cè)端面分別施加相應(yīng)的軸向拉應(yīng)力，模擬內(nèi)壓引起的軸向應(yīng)力。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)管系實(shí)際走向及管道支架約束情況，應(yīng)用AutoPDMS3.0軟件計(jì)算得到支管端面在實(shí)際工作時(shí)可能承受9716.53Nm的縱向平面的彎矩載荷，故在該端面添加MASS21質(zhì)點(diǎn)單元，并以10kNm作為該端面彎矩載荷，經(jīng)ANSYS結(jié)構(gòu)有限元分析程序計(jì)算獲得整個(gè)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布狀況。

圖3　有限元計(jì)算模型

2　計(jì)算結(jié)果分析

圖4　三通管結(jié)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度分布狀況

圖5　評(píng)定路徑示意圖

整個(gè)三通管結(jié)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度分布狀況見(jiàn)圖4，在管道內(nèi)壓?jiǎn)为?dú)作用下，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力強(qiáng)度發(fā)生在主管外表面焊趾線與三通管縱向?qū)ΨQ面交點(diǎn)處，達(dá)到369.43MPa（圖4a）。在內(nèi)壓和彎矩載荷的共同作用下，應(yīng)力強(qiáng)度最大值發(fā)生位置與單獨(dú)內(nèi)壓載荷時(shí)相同，應(yīng)力強(qiáng)度值略有增大，達(dá)到382.82MPa（圖4b）?？梢?jiàn)彎矩載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力強(qiáng)度影響不大，高應(yīng)力強(qiáng)度沿主管外表面焊趾線分布，范圍很窄，呈細(xì)長(zhǎng)條狀分布，且沿壁厚方向迅速減小。主管外表面焊趾線附近也正是裂紋缺陷發(fā)生的位置。根據(jù)三通管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，該區(qū)域的應(yīng)力強(qiáng)度值由薄膜σL、彎曲σb、二次σq及峰值σF等應(yīng)力強(qiáng)度迭加組成，各種應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的失效有不同機(jī)制，服從不同的許用條件。為了得到各應(yīng)力強(qiáng)度值的大小，在應(yīng)力強(qiáng)度值最大位置，同時(shí)也是三通管出現(xiàn)裂紋缺陷的區(qū)域，建立應(yīng)力強(qiáng)度線性化處理路徑（見(jiàn)圖5），分別為支、主管焊趾沿壁厚方向（a、b）和主管內(nèi)拐角圓弧倒角的中點(diǎn)到外表面的焊縫斜面的中點(diǎn)（c）等3條路徑，對(duì)有限元計(jì)算所得的總應(yīng)力強(qiáng)度值進(jìn)行分解處理，得到各類應(yīng)力強(qiáng)度不同的組合值［1］（見(jiàn)表1），依據(jù)JB4732-1995標(biāo)準(zhǔn)［2］，結(jié)構(gòu)各應(yīng)力強(qiáng)度或組合值應(yīng)滿足如下條件：

且總應(yīng)力強(qiáng)度值SⅤ應(yīng)不大于由疲勞曲線得到的許用值。因文中所分析的是熱電廠鍋爐的三通管，該鍋爐生產(chǎn)運(yùn)行通常十分穩(wěn)定，大幅度的載荷波動(dòng)機(jī)率很低，且由設(shè)計(jì)載荷下最大應(yīng)力強(qiáng)度值不是太大，小于3倍許用應(yīng)力，出現(xiàn)低周疲勞可能性較小，故文中不對(duì)其進(jìn)行相關(guān)疲勞分析。

表1　各路徑最大應(yīng)力強(qiáng)度 /MPa

由以上分析得出：該三通管的強(qiáng)度在c路徑評(píng)定中不滿足要求，即三通管結(jié)構(gòu)的SⅢ大于許可值。由圖1可見(jiàn)裂紋正處在焊縫靠近焊趾線處，處在高應(yīng)力強(qiáng)度區(qū)內(nèi)，而焊接形成的焊縫內(nèi)通常會(huì)存在一些規(guī)范許可的缺陷，同時(shí)焊縫中還殘留有未完全消除的焊接殘余應(yīng)力，且現(xiàn)場(chǎng)施焊的條件限制，焊縫的金相組織完好程度也不如母材。這些因素勢(shì)必加劇了該處的應(yīng)力集中，導(dǎo)致原先規(guī)范許可的小缺陷擴(kuò)展開(kāi)裂，由此可見(jiàn)裂紋的形成是由多因素共同作用的結(jié)果，但應(yīng)力是裂紋形成的動(dòng)力，因此可以認(rèn)為該三通管焊縫出現(xiàn)裂紋與其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足有很大的關(guān)聯(lián)。

值得注意的是該三通管原先是由日本三菱公司依據(jù)ASME規(guī)范進(jìn)行常規(guī)設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)計(jì)算書顯示三通管的強(qiáng)度設(shè)計(jì)是滿足要求的，且有一定的富余，這與上述計(jì)算分析所得的結(jié)果相悖；同時(shí)本次計(jì)算所得到的最大應(yīng)力強(qiáng)度值位置與通常的三通情況有很大的不同，處在主管外表面焊趾線上，而不是常見(jiàn)的在主管開(kāi)孔內(nèi)拐角圓弧倒角處，之所以出現(xiàn)這些情況，筆者分析后認(rèn)為：與該三通管支承方式有很大的關(guān)系，若將兩個(gè)主管原先的兩個(gè)支承去除，在三通管底部設(shè)置Y向支承，在內(nèi)壓和彎矩載荷的共同作用下，整個(gè)三通管結(jié)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度將發(fā)生很大的變化，結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力強(qiáng)度發(fā)生位置將出現(xiàn)在三通管內(nèi)表面拐角圓弧處（見(jiàn)圖6），且整個(gè)結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力強(qiáng)度值減小至236.45MPa。按以上相同的方法對(duì)其進(jìn)行評(píng)定，此時(shí)最危險(xiǎn)的c路徑的SⅢ僅為187.5MPa，小于許用值。說(shuō)明管道采用這種支承方式，三通管的強(qiáng)度能滿足要求，同時(shí)大大地降低了整個(gè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力強(qiáng)度水平，極大地改善了三通管結(jié)構(gòu)受力狀況。由此也表明管道和管道元件的應(yīng)力大小與管系的支承方式和位置關(guān)系密切，不恰當(dāng)?shù)闹С锌赡軐?dǎo)致相關(guān)構(gòu)件的強(qiáng)度失效［］。

圖6　改變支承后三通管應(yīng)力強(qiáng)度分布狀況

從目前情況看，在進(jìn)行管道或管道元件強(qiáng)度的常規(guī)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員較少或難以考慮到支承方式和位置對(duì)它們的影響，從而出現(xiàn)在設(shè)計(jì)載荷作用下，構(gòu)件強(qiáng)度滿足要求，而在實(shí)際情況下剛好相反，給生產(chǎn)留下安全隱患，這種情況很值得大家注意。

3　結(jié)語(yǔ)

文中從強(qiáng)度角度分析了某在役超臨界鍋爐中一個(gè)三通管焊縫裂紋產(chǎn)生的原因，得出該三通管在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際支承條件下強(qiáng)度不足，應(yīng)調(diào)整相關(guān)的管架位置或支承方式，改善三通管的受力狀態(tài)。

管道支架的形式和位置會(huì)嚴(yán)重影響管道和管道元件的應(yīng)力大小，管道及管道元件在設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮支架的作用，并作為綜合因素予以考慮。

［1］萬(wàn)晉，林少雄，陳宇慧.大開(kāi)孔接管結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.壓力容器，2012，29（8）：11-17.

［2］JB4730-1995，鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［3］張重英，張茂盛等.管道參與管架結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算和分析［J］.甘肅科學(xué)學(xué)報(bào)，2013，25（4）：123-126.

［4］金菘.發(fā)電廠綜合管架的布置研究［J］. 吉林電力，2008，36（5）：20-22.

［5］何巖松.淺析管道支架的布置與選型［J］. 河北電力技術(shù)，2000，19（6）：53-54.

Cause Analysis of Weld Crack in T-branch Pipe of Supercritical Boiler

CHEN Chong
（Fujian Special Equipment Inspection and Research Institute， Fuzhou 350008， Fujian， China）

In this paper， aim ing at an in-service t-branch pipe w ith the surface cracks in supercritical power boiler， the strength of this structure subjected to internal pressure and bending moment is analyzed in detail by using the finite element method. The analysis showed that the strength of the t-branch pipe under the bearing support on site cannot meet the requirement of the design. The layout for piping support has a great influence on the strength of the pipeline and piping components and this influence should be fully considered in the process of pipeline design.

Supercritical boiler； T-branch pipe； Crack； Analysis

2015-09-11

陳翀，男，福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，工程師